Die Erfindung betrifft ein warmgewalztes Stahlflachprodukt, bei dem Zugfestigkeiten von mindestens 1100 MPa mit guten Dehnungseigenschaften und guten Verformungseigenschaften kombiniert sind. Dazu ist das Stahlflachprodukt aus einem Komplexphasenstahl hergestellt, der neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) C: 0,13 - 0,2 %, Mn: 1,8 - 2,5 %, Si: 0,70 - 1,3 %, Al: 0,01 zu 0,1 %, P: bis zu 0,1 %, S: bis zu 0,01 %, Cr: 0,25 - 0,70 %, optional Mo, wobei die Summe der Cr- und Mo-Gehalte 0,25 - 0,7 % beträgt, Ti: 0,08 - 0,2 %, B: 0,0005 - 0,005 %, enthält, und weist ein Gefüge auf, das höchstens zu 10 Vol.-% aus Restaustenit, zu 10 - 60 Vol.-% aus Martensit, zu höchstens 30 Vol.-% aus Ferrit und mindestens 10 Vol.-% Bainit besteht. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stahlflachproduktes.
Die Erfindung betrifft ein aus einem Komplexphasenstahl hergestelltes warmgewalztes Stahlflachprodukt und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Produktes.
Aus der
Eine andere Möglichkeit der Herstellung eines hochfesten Stahls ist in der
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Stahlflachprodukt zu schaffen, bei dem weiter gesteigerte Zugfestigkeiten mit guten Dehnungseigenschaften und damit einhergehend guten Verformungseigenschaften kombiniert sind. Ebenso sollte ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stahlflachproduktes angegeben werden.
In Bezug auf den Stahl ist diese Aufgabe durch einen Komplexphasenstahl mit der in Anspruch 1 genannten Zusammensetzung und Gefügestruktur gelöst worden.
Das die voranstehend angegebene Aufgabe erfindungsgemäß lösende Verfahren ist durch die in Anspruch 14 angegebenen Maßnahmen gekennzeichnet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Der für die Herstellung eines erfindungsgemäß warmgewalzten Stahlflachprodukts verwendete Komplexphasenstahl enthält neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) C: 0,13 - 0,2 %, Mn: 1,8 - 2,5 %, Si: 0,70 - 1,3 %, Al: bis zu 0,1 %, P: bis zu 0,1 %, S: bis zu 0,01 %, Cr: 0,25 - 0,70 %, optional Mo, wobei die Summe der Cr- und Mo-Gehalte 0,25 - 0,7 % beträgt, Ti: 0,08 - 0,2 % und B: 0,0005 - 0,005 %.
Dank seines Komplexphasengefüges besitzt ein aus dem erfindungsgemäßen Stahl warmgewalztes Stahlflachprodukt eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Dehnung. Dabei ist das Gefüge eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts in Folge seiner in engen grenzen ausgewählten Legierung dadurch gekennzeichnet, dass sein Gefüge höchstens zu 10 Vol.-% aus Restaustenit, zu 10 - 60 Vol.-% aus Martensit, zu höchstens 30 Vol.-% aus Ferrit und als Rest aus Bainit besteht, wobei der Anteil mindestens 10 Vol.-% betragen soll. Perlit ist in einem erfindungsgemäßen Stahlflachprodukt allenfalls in unwirksamen Spuren vorhanden, wobei der Perlit-Anteil möglichst auf ein Minimum reduziert ist.
Erfindungsgemäße Stahlflachprodukte erzielen so im warmgewalzten Zustand eine Zugfestigkeit Rm, die mehr als 1100 MPa beträgt, insbesondere regelmäßig mindestens 1150 MPa und mehr erreicht, und eine Streckgrenze Re von ebenso regelmäßig mindestens 720 MPa. Für seine Bruchdehnung A80 können gleichzeitig Werte von mehr als 7 %, insbesondere mehr als 8 %, garantiert werden. Diese hohe Festigkeit gepaart mit den vergleichbar guten Dehnungseigenschaften sind durch die erfindungsgemäße Einstellung des Komplexphasengefüges erzielt worden.
Kohlenstoff wird im erfindungsgemäß verwendeten Komplexphasenstahl zur Gefügehärtung und zur Bildung von Feinstausscheidungen beigefügt. So bildet sich durch die Anwesenheit von C in den erfindungsgemäß vorgegebenen Gehalten von 0,13 - 0,2 Gew.-% ein für die gewünschte Härte ausreichend hoher Martensit- und Bainitanteil im Gefüge. Bei Gehalten von mehr als 0,20 Gew.-% behindert Kohlenstoff die Entstehung des gewünscht hohen bainitischen Gefügeanteils. Auch wirken sich höhere C-Gehalte negativ auf die Schweißeignung aus, was für die Anwendung des erfindungsgemäßen Materials beispielsweise im Bereich des Automobilbaus von besonderer Bedeutung ist. Besonders sicher kann die vorteilhafte Wirkung von Kohlenstoff in einem zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts verwendeten Stahls dann genutzt werden, wenn der C-Gehalt 0,15 - 0,18 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,17 Gew.-%, beträgt.
Mangan verzögert bei einem Gehalt von mindestens 1,8 Gew.-% die Umwandlung und bewirkt die Bildung harter, festigkeitssteigernder Umwandlungsprodukte. So wird durch die Anwesenheit von Mn die Entstehung von Martensit unterstützt. Zur Vermeidung unzulässig starker Mikroseigerungen ist der Gehalt erfindungsgemäß auf max. 2,5 Gew.-% begrenzt, wobei die vorteilhaften Einflüsse von Mn dann besonders sicher eintreten, wenn der Mn-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahls auf 2,05 - 2,2 Gew.-% beschränkt ist.
Si dient in einem erfindungsgemäß verwendeten Stahl ebenfalls zur Steigerung der Festigkeit, indem es einerseits die Mischkristallhärtung des Ferrits bzw. Bainits unterstützt und andererseits den Restaustenit stabilisiert. Der Restaustenitanteil trägt dabei zur Erhöhung von Dehnung und Festigkeit bei (TRIP-Effekt). Um die angestrebt hohen mechanischen Kennwerte zu erreichen, weist erfindungsgemäßer Stahl 0,70 - 1,3 Gew.-% Si, insbesondere mindestens 0,75 Gew.-% Si auf. Die festigkeits- und dehnungssteigernde Wirkung tritt dabei insbesondere dann ein, wenn der Si-Gehalt eines erfindungsgemäßen Stahls mindestens 0,75 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,85 Gew.-% beträgt. Im Hinblick darauf, dass ein aus einem erfindungsgemäßen Stahl erzeugtes Flachprodukt eine für die weitere Verarbeitung und erforderlichenfalls aufgetragene Beschichtungen optimale Oberflächenbeschaffenheit besitzen soll, ist gleichzeitig die Obergrenze des Si-Gehaltes auf 1,3 Gew.-% festgelegt worden. Auch ist bei Einhaltung dieser Obergrenzen die Gefahr von Korngrenzenoxidation minimiert. Dabei lässt sich ein ungünstiger Einfluss von Si auf die Eigenschaften des erfindungsgemäß verwendeten Stahls dadurch mit noch größerer Sicherheit vermeiden, dass der Si-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahls auf 1,1 Gew.-%, insbesondere 0,95 Gew.-%, beschränkt ist.
Der Stahl, aus dem das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt besteht, ist Al-beruhigt. Aluminium wird bei der Erschmelzung eines erfindungsgemäßen Stahls zur Desoxidation und zum Abbinden von gegebenenfalls in dem Stahl enthaltenem Stickstoff genutzt. Zu diesem Zweck kann dem erfindungsgemäßen Stahl erforderlichenfalls Al in Gehalten von weniger als 0,1 Gew.-% zugegeben werden, wobei die gewünschte Wirkung von Al dann besonders sicher eintritt, wenn dessen Gehalte im Bereich von 0,01 - 0,06 Gew.-%, insbesondere 0,020 - 0,050 Gew.-%, liegen.
Phosphor kann zur weiteren Steigerung der Mischkristallverfestigung eingesetzt werden, sollte aber aus Gründen der Schweißbarkeit wegen der sonst steigenden Gefahr der Bildung von Seigerungen einen Gehalt von 0,1 Gew.-% nicht übersteigen.
Bei unterhalb der erfindungsgemäß vorgegebenen Obergrenze liegenden Gehalten an Schwefel wird die Bildung von MnS bzw. (Mn,Fe)S in dem erfindungsgemäß verwendeten Stahl unterdrückt, so dass eine gute Dehnbarkeit des erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts gewährleistet ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der S-Gehalt unter 0,003 Gew.-% liegt.
Chrom behindert bei Gehalten von mindestens 0,25 Gew.-% die Ferrit- und Perlitbildung. Es fördert dementsprechend die Bildung eines Härtungsgefüges und damit die Festigkeit des für das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt verwendeten Stahls. Um die Umwandlung nicht zu stark zu verzögern, sollte sein Gehalt auf max. 0,7 Gew.-% begrenzt werden. Indem der Cr-Gehalt eines erfindungsgemäßen Stahls auf 0,7 Gew.-% beschränkt ist, ist die Gefahr der Entstehung von Korngrenzenoxidation vermindert und die guten Dehnungseigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls gesichert. Auch wird bei Einhaltung dieser Obergrenze eine Oberfläche des aus dem Stahl erzeugten Stahlflachproduktes erreicht, die gut mit einer metallischen Beschichtung versehen werden kann.
Die optional vorhandenen Gehalte an Molybdän tragen wie Cr zur Erhöhung der Festigkeit eines erfindungsgemäßen Stahls bei, indem es die Bildung von Feinstausscheidungen und von Martensit im Gefüge des Stahls unterstützt. Dabei wirkt sich die Anwesenheit von Mo nicht negativ auf die Beschichtbarkeit des Flachproduktes mit einer metallischen Beschichtung und seiner Dehnbarkeit aus. Praktische Versuche haben gezeigt, dass sich die positiven Einflüsse von Mo bis zu Gehalten von 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,22 Gew.-%, auch unter Kostengesichtspunkten besonders effektiv nutzen lassen. So wirken sich bereits Gehalte von 0,05 Gew.-% Mo positiv auf die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Stahls aus.
Um jedoch zu verhindern, dass die Bruchdehnung durch einen zu hohen Martensitanteil negativ beeinflusst wird, ist die Summe der Cr- und Mo-Gehalte in einem erfindungsgemäß verwendeten Stahl auf 0,25 - 0,7 Gew.-% beschränkt.
Mit Titan in Gehalten von mindestens 0,08 bis höchstens 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,09 - 0,15 Gew.-%, lässt sich in erfindungsgemäßem Stahl die Bildung von Feinstausscheidungen in Form von von TiC bzw. Ti(C,N) mit aushärtender Wirkung unterstützen und eine Kornfeinung bewirken. Eine weitere positive Wirkung von Ti besteht in der Abbindung eventuell vorhandenen Stickstoffs, so dass die Bildung von Bornitriden im erfindungsgemäßen Stahl verhindert wird. Durch die Anwesenheit von Ti wird somit im Fall einer Zugabe von Bor zur Festigkeitssteigerung auch sichergestellt, dass das Bor seine Wirkung im gelösten Zustand voll entfalten kann. Besonders sicher kann die positive Wirkung von Ti in einem erfindungsgemäßen Stahl genutzt werden, wenn sein Ti-Gehalt 0,11 - 0,13 Gew.-% beträgt.
Bor verbessert bei erfindungsgemäß verwendetem Stahl die Härtbarkeit, wenn B in Gehalten von 0,0005 - 0,005 Gew.-% vorhanden ist. Im Austenit seigert Bor an die Korngrenzen und behindert die Ferrit- und Perlitbildung. Dabei ruft Bor eine signifikante Steigerung der Festigkeit bei nur geringer Erniedrigung der Umformbarkeit hervor. Die günstigen Einflüsse von B auf die erfindungsgemäße Legierung stellen sich dann besonders sicher ein, wenn der B-Gehalt des erfindungsgemäßen Stahls auf 0,001 - 0,002 Gew.-% festgelegt ist.
In erfindungsgemäßer Weise beschaffene Stahlflachprodukte zeichnen sich durch eine besonders hohe Feinkörnigkeit, eine hohe Streckgrenze und eine erhöhte Festigkeit aus. Die in seinem Gefüge enthaltenen Anteile an Martensit, Bainit und Feinstausscheidungen tragen zur hohen Festigkeit bei. Die Restaustenit- und Ferritanteile des Gefüges stellen seine guten Dehnungseigenschaften sicher.
Sollen erfindungsgemäß erzeugte Stahlflachprodukte besonders gegen Korrosion geschützt werden, so können die Warmbänder vor oder nach ihrer Umformung zu einem Bauteil mit einem metallischen Schutzüberzug versehen werden. Dies kann durch Feuerverzinken, oder elektrolytisches Beschichten erfolgen.
Bei der erfindungsgemäßen Erzeugung eines erfindungsgemäßen warmgewalzten Stahlflachprodukts mit einer Zugfestigkeit von mehr als 1100 MPa und dem voranstehend erläuterten Gefüge wird zunächst eine Stahlschmelze mit einer unter die Legierung des erfindungsgemäß verwendeten Stahls fallende Zusammensetzung zu einem Vorprodukt vergossen, bei dem es sich typischerweise um einen Strang, der zu Brammen oder Dünnbrammen geschnitten wird, handelt.
Anschließend wird das Vorprodukt auf eine 1150 - 1350 °C betragende Temperatur erwärmt, um für das anschließend erfolgende Warmwalzen ein vollständig austenitisches Gefüge des Stahls zu gewährleisten und die Ausscheidungen in Lösung zu bringen.
Ausgehend von dieser Erwärmungstemperatur wird das Vorprodukt dann zu einem Warmband warmgewalzt, wobei die Endtemperatur des Warmwalzens 800 - 950 °C beträgt. Die Walzendtemperatur sollte im Bereich des homogenen Austenits und damit nicht unter 800 °C liegen, um verformungsinduzierte Ausscheidungen gering zu halten und die Ausprägung der angestrebten Gefügezusammensetzung zu ermöglichen.
Nach dem Warmwalzen wird das erhaltene Warmband mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die mindestens 30 °C/s beträgt, auf die jeweils gewählte Haspeltemperatur abgekühlt. Die Abkühlbedingungen sind so zu wählen, dass eine Umwandlung zu Perlit vermieden wird und die Umwandlung weitestgehend so erfolgt, dass die hohen Bainit-Anteile sowie die erfindungsgemäß vorgegebenen Anteile an Martensit und Restaustenit erhalten werden.
Der Abkühlvorgang wird beendet, wenn der erfindungsgemäß vorgegebene Bereich der Haspeltemperatur von 400 - 570 °C erreicht ist, in der die Bainitstufe des erfindungsgemäßen Stahls erreicht ist. Das entsprechend abgekühlte Warmband wird dann zu einem Coil gewickelt und kühlt im Coil weiter ab. Dabei kommt es zu weiteren Umwandlungen in Bainit und Martensit und zur Ausscheidungsbildung.
Aufgrund seiner besonderen Kombination aus hoher Festigkeit und guten Dehnungseigenschaften eignet sich erfindungsgemäßer Stahl insbesondere zur Herstellung von im praktischen Einsatz hoch belasteten Profilen sowie für crash- und festigkeitsrelevante Bauteile für Fahrzeugkarosserien.
Unter Laborbedingungen ist ein Stahl mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung erschmolzen und zu Blöcken vergossen worden.
Anschließend sind die Blöcke auf 1270 °C erwärmt und ausgehend von dieser Temperatur zu Warmband mit einer Dicke von 2,5 mm warmgewalzt worden. Die Warmwalzendtemperatur betrug 900 °C.
Das erhaltene Warmband ist nach dem Warmwalzen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 80 °C/s und bei einer Temperatur von 490 °C im Ofen langsam abgekühlt worden, um das Abkühlen im Coil zu simulieren.
Das erhaltene Warmband wies quer zur Walzrichtung eine Zugfestigkeit Rm von 1192 MPa und eine Dehnung A80 von 10,5 % auf. Das erhaltene Gefüge besteht aus 35 - 40 Vol.-% Martensit, etwa 5 Vol.-% Ferrit, 6 Vol.-% Restaustenit und als Rest aus Bainit.
Für einen ersten Vergleich sind die in der voranstehend erläuterten Weise erzeugten Warmbänder nach dem Warmwalzen zunächst auf eine Temperatur von 75 °C und anschließend im Ofen langsam weiter auf Raumtemperatur abgekühlt worden, um auch hier das Abkühlen im Coil zu simulieren. Die so erhaltenen Warmbänder wiesen eine Zugfestigkeit Rm von 1550 MPa und eine vergleichbar niedrige Dehnung A80 von 5,9 % auf. Sie waren überwiegend martensitisch.
Für einen zweiten Vergleich sind die voranstehend erläuterten Warmbänder nach dem Warmwalzen zunächst auf eine der "Haspeltemperatur" entsprechende Temperatur von 600 °C abgekühlt und daraufhin wiederum langsam auf Raumtemperatur gekühlt worden, um die Abkühlung im Coil zu simulieren. Die so erhaltenen Warmbänder wiesen eine Zugfestigkeit Rm von 955 MPa und eine Dehnung A80 von 15,5 % auf. Das Gefüge bestand aus Ferrit mit einem Perlit-Anteil von 25 - 30 Vol.-%.
Ebenfalls unter Laborbedingungen ist ein Stahl mit der in Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzung erschmolzen und zu Blöcken vergossen worden. Im Unterschied zu dem beim ersten Versuch untersuchten Stahl enthielt dieser Stahl zusätzlich 0,25 Gew.-% Mo.
Anschließend sind die Blöcke auf 1270 °C erwärmt und ausgehend von dieser Temperatur zu Warmband mit einer Dicke von 2,5 mm warmgewalzt worden. Die Warmwalzendtemperatur betrug 900 °C.
Das erhaltene Warmband ist nach dem Warmwalzen mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 80 °C/s auf eine "Haspeltemperatur" von 550 °C abgekühlt worden, ab der wiederum die Coilabkühlung in der voranstehend schon beschriebenen Weise simuliert worden ist.
Das erhaltene Warmband wies eine Zugfestigkeit Rm von 1180 MPa und eine Dehnung A80 von 11 %. Ihr Gefüge wies einen Martensitanteil von 35 - 40 Vol.-%, einen Restaustenit-Gehalt von 7,5 Vol.-%, einen Ferrit-Gehalt von 10 Vol.-% und als Rest Bainit auf
Für einen Betriebsversuch 3a - 3c ist ein Stahl mit der in Tabelle 3 angegebenen erfindungsgemäßen Legierung erschmolzen und zum Strang vergossen worden. Die von dem Strang abgeteilten Brammen sind anschließend auf eine Temperatur von ca. 1260 °C wiedererwärmt, daraufhin mit einer Warmwalzendtemperatur WET zu Warmbändern mit einer Dicke D warmgewalzt und schließlich mit einer Abkühlrate VT auf einer Haspeltemperatur HT abgekühlt worden, bei der sie zu einem Coil gehaspelt worden sind. Die jeweils eingestellten Parameter und die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Warmbänder (quer zur Walzrichtung bestimmt) sind in Tabelle 4 angegeben.
Es zeigte sich, dass das beim Betriebsversuch 3c erhaltene Warmband aufgrund der zu hohen Haspeltemperatur durch einen hohen Ferritanteil (und Perlit) eine deutlich niedrigere Zugfestigkeit aufwies als die in den Versuchen 3a und 3b erhaltenen, im erfindungsgemäßen Temperaturbereich gehaspelten Warmbänder.
Für einen zum Vergleich durchgeführten weiteren Betriebsversuch V ist ein Stahl mit der in Tabelle 5 angegebenen, aufgrund ihres deutlich zu geringen Si-Gehaltes und ihrer ebenfalls zu geringen Gehalte an Mn, Cr und Ti nicht erfindungsgemäßen Legierung erschmolzen und zu einem Strang vergossen worden, von dem Brammen abgeteilt worden sind. Die Brammen sind anschließend auf eine Temperatur von 1250 °C wiedererwärmt, daraufhin mit einer Warmwalzendtemperatur WET zu einem Warmband mit einer Dicke D warmgewalzt und schließlich mit einer Abkühlrate VT auf einer Haspeltemperatur HT abgekühlt worden, bei der sie zu einem Coil gehaspelt worden sind. Die jeweils eingestellten Parameter und die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Warmbands sind in Tabelle 6 angegeben.
Es zeigte sich, dass das beim Vergleichsversuch V erhaltene Warmband zwar eine hohe Zugfestigkeit aufwies, dass jedoch seine Dehnungseigenschaften ungenügend waren.
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